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分析;
研究
目录
前言1
第一章调节阀简介2
1.1调节阀的作用及组成2
1.2调节阀的分类及优缺点2
1.3调节阀的应用及发展前景2
1.3.1调节阀的应用2
1.3.2调节阀的发展前景3
第二章气动调节阀5
第三章调节阀气缸活塞执行机构7
3.1调节阀气缸活塞执行机构的简介7
3.2调节阀气缸活塞执行机构的组成7
3.3调节阀气缸活塞执行机构的工作过程8
第四章调节阀气缸活塞执行机构过约束分析9
4.1自由度、约束、过约束及运动副的概念9
4.2调节阀气缸活塞执行机构的工作情况分析12
4.3调节阀气缸活塞执行机构结构简图分析13
4.4过约束分析计算14
4.4.1调节阀气缸活塞执行机构过约束的计算14
4.4.2过约束消除18
第五章总结20
致谢21
参考文献22
前言
调节阀又名控制阀,是物料或能量供给系统中不可缺少的重要组成部分。
调节阀是自控系统中的执行器,它的应用质量直接反应在系统的调节品质上。
作为过程控制中的终端元件,人们对它的重要性较过去有了更新的认识。
调节阀在机械产品中占有相当大的比重,据国外工业发达国家统计,调节阀的产值是压缩机,风机和泵产值的总和,约占整个机械工业产值的5%。
它现在已经广泛应用于火力发电、核电、化工、冶金、轻纺、城市供热、城市天然气等工业部门中。
调节阀是现在工业控制技术中不可缺少的部分。
但令人遗憾的是,由于部分调节阀执行机构存在着过约束,就造成机构磨损比较厉害。
而执行机构是调节阀的关键组成部件,所以本文对调节阀气缸活塞执行机构进行研究。
结果表明,该机构结构紧凑、体积小、控制简单、反应快速、本质安全、不需另外再采取防爆措施等优点,但是该执行机构中存在过多的过约束。
本文通过研究该机构的组成、原理、运动副中的约束、过约束等,发现里面存在的过约束,通过增加机构自由度的方法来改善机构中存在的过约束。
从而降低了对运动副元素的精度要求,为降低了产品的制造加工成本和延长机构的寿命本找到了理论依据。
第一章调节阀简介
1.1调节阀的作用及组成
调节阀是一个局部阻力可以改变的节流元件,由于阀芯在阀体内移动,改变了阀芯与阀座之间的流通面积,即改变了阀的阻力系统,通过介质的流量也可相应的改变,从而达到调节工艺参数的目的。
这些工艺参数包括压力、温度、液位及流量。
调节阀由阀体组件、执行机构、调节阀附件组成。
阀体组件的作用是调节流量的作用,执行机构将控制信号转变成相应动作,阀体附件的作用是使调节阀的使用更方便,功能更完善,性能更好。
1.2调节阀的分类及优缺点
调节阀按常用性可分为三大类:
气动调节阀、电动调节阀、液动调节阀。
气动调节阀是指以压缩空气为动力来源的调节阀。
电动调节阀主要以电为动力来源的调节阀。
而液动调节阀则是通过把气动调节阀中的气动执行机构改为液动执行机构,从而形成液动调节阀。
(1)气动调节阀比电动和液动要经济实惠,且结构简单,易与掌握校定,在现场也可以很容易实现正反左右手的互换,它最大电的优点是安全,当使用定位器时,对于易燃易爆环境是理想的,而电讯号如果不是防爆的,或本质不安全的,则有潜在的因打火而引发火灾的危险所以虽然现在电动调节阀应用范围越来越广,但在化工领域,气动调节阀还是占据着绝对优势。
气动调节阀的主要缺点是相应较慢,控制精度差,抗偏离能力差。
(2)电动调节阀,电动调节阀推力大,抗偏离能力较好,输出的推力和力矩基本上是恒定的,可以很好的克服介质的不平衡。
电动调节阀的主要缺点有:
结构较复杂更容易发生故障,且由于它的复杂性,对现场维护人员的技术要求就相对要高些,电动机运行要产热,如果调节太频繁,容易造成电机过热,产生热保护,同时也会加大对减速齿轮的磨损,运行较慢。
(3)液动调节阀,优点是有较优的抗偏离能力,运行起来非常平稳,响应快,缺点是造价昂贵,体型庞大笨重大多数用于一些诸如电厂,石化等比较特殊的场合。
1.3调节阀的应用及发展前景
1.3.1调节阀的应用
(1)在石化行业的应用:
在石化生产中,调节阀是自动控制中起执行作用的重要组成部分,其主要应用于炼油装置、化纤装置、丙烯晴装置、合成氨装置、乙烯装置、空分装置以及聚丙烯等装置中。
(2)在电力行业的应用:
电站调节阀主要分布在锅炉、汽轮机和辅机3大系统中,其次分布在许多辅助性系统中。
对于中温中压蒸汽参数的发电机组,一般采用少量的国产常规调节阀,而对于高参数、大容量火电机组,一般在大于100MW以上机组,就采用越来越多的引进调节阀。
参数越高,机组容量越大,火电站的热控技术,机组的安全经济运行就作为主要的目标,而各种各样的调节阀就作为实现安全运行的有效手段。
(3)在城市供热行业的应用:
根据供热系统的运行管理要求提出采用自力式流量调节阀是解决热网水力失调和实现节能降耗的有效途径。
(4)在城市燃气中的应用:
一种燃气热水器调节阀总成在设计,研制过程中所遇到的问题以及解决的方法和措施。
做到了使用功能、产品质量和经济效益的统一,并力求一阀多用。
(5)在冶金行业的应用:
温差自力式调节阀在攀钢高炉铸铁冷却壁系统试验取得成功之后,被应用到攀钢高炉铜冷却壁系统中,以实现铜冷却壁冷却水量的l:
1动调节,保护冷却壁,提高冷却水冷却能力的利用率。
该温差自力式调节阀在高炉铜冷却壁运行正常,已取得初步效果。
1.3.2调节阀的发展前景
调节阀的发展前景表现:
智能化、标准化、精小化、旋转化、安全化。
它们具体表现在如下方面:
(1)智能化表现在:
调节阀的自诊断,运行状态的远程通信等智能功能,使调节阀的管理方便,故障诊断变得容易,也降低了对维护人员的技能要求。
(2标准化表现在:
为了实现互换性,使同样尺寸和规格的不同厂商生产的调节阀能够互换,使用户不必为选择制造商而花费大量时间。
为了实现互操作性,不同制造商生产的调节阀应能够与其他制造商的产品协同工作,不会发生信号的不匹配或阻抗的不匹配等现象。
(3)精小化:
采用轻质材料,采用多组弹簧替代一组弹簧,降低执行机构高度,通常,精小型气动薄膜执行机构组成的调节阀比同类型气动薄膜执行机构组成的调节阀高度要降低约30%,重量降低约30%,而流通能力可提高约30%。
(4)旋转化表现在:
在调节阀新品种中,旋转阀的比重增大。
特别是大口径管道中,普遍采用球阀、蝶阀等类型调节阀,从国外近年的产品看,旋转阀应用的比例正逐年增长。
(5)安全化:
对调节阀故障信息诊断和处理要求提高,不仅要对调节阀进行故障发生后的被动性维护,而且要进行故障发生前的预防性维护和预见性维护。
因此,对组成调节阀的有关组件进行统计和分析,及时提出维护建议等变得更重要。
第二章气动调节阀
本文研究的是在化工领域中用的最多的气动调节阀。
气动调节阀经济实惠,且结构简单,易与掌握校定,要比其他调节阀安全点。
所以研究气动调节阀是很有实用价值的。
气动调节阀可分为薄膜式、活塞式,它们的工作原理如下:
(1)调节阀薄膜式的工作原理如图2-1,气动薄膜执行机构是最常用的气动执行机构工作原理如下图所示,将20到100PA的标准气压信号P通入薄膜气室中,在薄膜上便产生一个向下的推力,驱动阀杆部件向下移动,调节阀门打开,与此同时,弹簧被压缩,对薄膜产生一个向上的反作用力。
当弹簧的反作用力与气压信号在薄膜产生的推力相等时,阀杆部件停止运动。
信号压力越大,在薄膜上产生的推力就越大,弹簧压缩量即调节阀门的开度也就越大。
从而对流质流量进行控制。
图2-1气动薄膜调节阀图
图2-2气动活塞调节阀图
(2)如图2-2,压缩空气从气口A进入气缸两活塞之间中腔时,使两活塞分离向气缸两端方向移动,两端气腔的空气通过气口B排出,同时使两活塞的曲柄同步带动输出轴,曲柄顺时针方向旋转90度。
反之压缩空气则从气口B进入气缸两端气腔时,使两活塞向气缸中间方向移动,中间气腔的空气通过气口A排出,同时使两活塞的曲柄同步带动输出轴,曲柄逆时针方向旋转90,从而对流质流量进行控制。
第三章调节阀气缸活塞执行机构
气动调节阀的种类有两种,本文是对调节阀气缸活塞执行机构进行分析研究。
3.1调节阀气缸活塞执行机构的简介
调节阀气缸活塞执行机构是一种高性能的转臂式调节阀执行机构,具有结构紧凑、体积小、控制简单、反应快速、本质安全、不需另外再采取防爆措施等优点,缺点是该机构在制造中可能存在弊端,造成该机构磨损严重,实体如下:
图3-1调节阀气缸活塞执行机构实物图
3.2调节阀气缸活塞执行机构的组成
(1)由实物图3-1可知调节阀气缸活塞执行机构的组成是由曲柄、圆柱销、轴、活塞、气缸组成。
(2)活塞是安装在气缸中,活塞通过圆柱销把曲柄连接在一起,曲柄和轴是通过键连接,轴是安装在气缸中,轴和气缸之间是采用密封圈来密封的。
图
3-2气关图图3-3气开图
3.3调节阀气缸活塞执行机构的工作过程
调节阀气缸活塞执行机构的工作原理是,它分为气开和气关两个过程,图3-2和图3-3,该机构有两个通气孔,中间通气活塞向两端运动,活塞推动着曲柄做相应的转动;
曲柄和轴是连接在一起,曲柄带动着轴转动,使阀门自动启闭从而对流质流量进行控制。
同理两端通气,活塞向两端运动活塞推动着曲柄做相应的转动,曲柄和轴是连接在一起,曲柄带动着轴转动最后对流质流量进行控制。
第四章调节阀气缸活塞执行机构过约束分析
在调节阀气缸活塞执行机构的使用过程中,发现该机构磨损严重,造成机构的寿命变短。
下面对该机构进行研究:
4.1自由度、约束、过约束及运动副的概念
(1)自由度
定义:
构件具有独立运动的数目(确定构件位置的独立参变量的数目)。
①一个构件作平面运动时,具有三个独立运动:
沿x轴和y轴的移动以及绕垂直于xoy平面A轴的转动。
构件的这种独立运动称为构件的自由度。
②两个构件组成运动副之后,它们之间的相对运动就受到约束,相应的自由度数也随之减少。
这种对构件独立运动所加的限制称为约束。
自由度减少的个数等于约束的数目。
所以一个作平面运动的自由构件具有三个自由度。
如图4-1:
图4-1平面自由度图
③任何一个构件在空间自由运动时皆有六个自由度,它可表达为在空间直角坐标系内沿着三个坐标轴的移动和绕三个坐标轴的转动如下图4-2:
图4-2构件在空间有六个自由度图
(2)约束
对构件独立运动所加的限制称为约束。
按约束力的产生及对机械运动的限制和影响来划分
①静力约束:
静力约束(或运动约束)。
其约束力的产生是由二构件以一定几何形体相接触,形成约束反力限制相对运动自由度的数量、类型和方位。
其约束反力,可根据静力平衡原则求得,故称为静力约束。
②动力约束:
是指与运动有关的力。
动力约束的约束力的大小、方向和性质与系统运动的速度、加速度及系统的载荷紧密相关,其约束力是在介质、力场等的运动中产生的。
按约束存在和作用的区间和范围划分
①内部约束:
作用于机构及机械系统内部的约束,
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